雙探測器分段γ掃描測量裝置及其掃描方法
2024-02-29 22:36:15
專利名稱：雙探測器分段γ掃描測量裝置及其掃描方法
技術領域：
本發明涉及的是一種核輻射測量技術領域的裝置及方法，具體是一種基於等效半 徑修正的雙探測器分段Y掃描測量裝置及其掃描方法。
背景技術：
核事業的迅速發展和核材料的大量使用將會產生大量的中低放射性廢物，根據國 家相關規定，對這些廢物進行中間暫存、運輸、最終處置前均必須對其活度進行測量。由於 核廢物的特殊性而使其核素的測量較為困難。目前，較為理想的測量技術是無損檢測技術， 其中Y掃描技術是使用最廣泛的核電廠桶裝廢物檢測方法之一。Y射線掃描測量技術通 過分析放射性廢物桶中不同種類同位素的特徵Y射線，確定放射性元素的種類及活度。Y 射線掃描測量技術在二十世紀七十年代發展起來，經歷了分段Y掃描技術和層析Y掃描 技術兩個階段。層析Y掃描技術雖然測量精度高於分段Y掃描技術，但是測量過程複雜， 測量時間過長，未得到廣泛應用。經過對現有技術的檢索發現，傳統的分段Y掃描技術將廢物桶垂直分為多層，假 設各層內填充物質與放射性核素均勻分布。測量時，廢物桶勻速旋轉，以減少桶內放射性核 素分布的不均勻度。在測得每一層的計數率後，分別計算出各層的探測效率和自吸收校正 因子，從而計算出該層的放射性核素量，通過求和得到整個被測物的放射性核素總量。但是該現有技術基於各層內填充物質與放射性核素都均勻分布的假設，對每層進 行一次掃描測量，而實際中廢物桶通常不滿足上述假設，因此會帶來較大誤差，其中徑向的 放射性核素活度不均勻分布帶來的誤差最為嚴重。本發明提供了一種基於等效半徑修正的 雙探測器分段Y掃描測量裝置，通過兩個相同的探測器在不同位置對每層進行掃描測量， 確定桶內放射源所在等效半徑位置，從而進一步修正核素活度計算時的探測效率。由於考 慮了每層中放射源不均勻的因素，同傳統分段Y掃描技術相比，在基本不改變探測複雜度 的情況下，大大提高了測量的準確度。並且，同層析Y掃描技術相比，該方法的測量精度雖 然略低，但大大降低了測量過程的複雜度，更能滿足對核電廠對中低放廢物測量的實際要 求。
發明內容
本發明針對現有技術存在的不足，提供一種基於等效半徑修正的雙探測器分段Y 掃描測量裝置及其掃描方法，通過廢物桶的勻速旋轉減少桶內物質不均勻度的影響，將兩 個相同的高純鍺探測器置於不同水平位置對勻速旋轉的廢物桶進行分層測量，可通過分析 得到每層放射性核素的徑向等效半徑，根據該半徑的探測效率準確計算該層的放射性核素 活度。由於排除了放射性核素均勻分布的假設，更符合實際廢物桶的特點，因此大大提高了 傳統分段Y掃描技術的測量準確度。本發明是通過以下技術方案實現的本發明涉及一種基於等效半徑修正的雙探測器分段Y掃描測量裝置，包括旋轉臺、探測器平臺組件、透射源平臺組件、平臺升降驅動組件、兩個相同的具有準直器的高純 鍺探測器、透射源及其屏蔽部件和分析模塊，其中被測廢物桶置於旋轉臺上，兩個相同的 具有準直器的高純鍺探測器置於探測器平臺上，透射源及其屏蔽部件置於透射源平臺上， 探測器平臺和透射源平臺分別置於旋轉臺的兩側，高純鍺探測器內置的晶體與Y射線相 互作用產生電信號並與分析模塊相連並輸出Y射線能譜以獲得全能峰計數率，通過控制 系統與平臺升降驅動組件實現探測器與透射源的同步升降以及水平高度的準確定位。 所述的旋轉臺包括第一減速電機、旋轉臺主軸、旋轉臺軸套、旋轉臺平板、旋轉臺 聯軸器和旋轉臺支腳，其中第一減速電機通過旋轉臺聯軸器與旋轉臺主軸聯接，旋轉臺主 軸與旋轉臺平板連接，通過第一減速電機帶動旋轉臺平板轉動並驅動被測廢物桶轉動。所述的探測器平臺組件包括探測器平臺、第一導軌和第一支架，其中第一導軌 安裝於第一支架上並為探測器平臺的升降提供導向作用。所述的透射源平臺組件包括透射源平臺、第二導軌和第二支架，其中第二導軌 安裝於第二支架上並為透射源平臺的升降提供導向作用。所述的平臺升降驅動組件包括第二電機、第一轉向器、第二轉向器、第三轉向器、 第一渦輪絲杆升降機和第二渦輪絲杆升降機，其中第二電機與第一轉向器相連，第二轉向 器和第三轉向器同時與第一轉向器相連，第二轉向器與第一渦輪絲杆升降機相連，第三轉 向器與第二渦輪絲杆升降機相連，通過第二電機和第一、二、三轉向器帶動第一、二渦輪絲 杆升降機運動，從而使分別位於第一、二渦輪絲杆升降機上的探測器平臺和透射源平臺同 步升降。本裝置通過以下步驟實現基於等效半徑修正的雙探測器分段Y掃描，包括以下 步驟第一步、調整第一高純鍺探測器及其準直器、透射源及其屏蔽部件在升降平臺上 的具體位置，使第一探測器軸線對準廢物桶中心並通過透射源準直孔；第二步、調整第二高純鍺探測器及其準直器的位置，使第二探測器軸線偏離廢物 桶中心且與第一探測器軸線平行，兩個探測器之間的距離應能保證對於單層填充介質均勻 的測量樣品在勻速旋轉時，第二探測器在當層得到的淨計數率與第一探測器在當層得到的 淨計數率的比值與放射源所在的半徑位置存在一一對應關係；第三步、開啟旋轉臺，使廢物桶以一定轉速勻速旋轉，將探測器平臺和透射源平臺 移動到廢物桶最底層，在垂直方向同時移動透射源與探測器平臺，從下而上對廢物桶每一 層進行掃描，採集能譜；第四步、數據處理首先建立每層放射性核素活度與兩個探測器淨計數率的方程 組，採用填充介質與放射性核素都在每層內均勻分布的假設，計算初始效率矩陣，計算初始 活度；然後計算每一層放射性核素的等效半徑，根據等效半徑更新效率矩陣，重新計算活 度，重複此步驟直至活度結果收斂，實現雙探測器分段Y掃描。與傳統的分段Y掃描技術相比，本發明具有以下優點(1)假設廢物桶每層介質均勻分布，但是排除了放射性核素在每層內均勻分布的 假設，因此更加符合實際情況。(2)採用兩個相同的探測器分別在對準廢物桶中心和偏離廢物桶中心的兩個不同 位置進行掃描測量，基於等效半徑對探測效率進行校正。
(3)實驗結果表明，對於中低放廢物中常見的137Cs核素，本發明對中低密度的廢 物桶測量誤差小於20%，而傳統分段γ掃描技術對非均勻放射性核素的情況測量誤差可 能達到80%以上，本發明大幅度提高了傳統分段γ掃描技術的測量準確度。(4)特別適用於中低密度下非均勻廢物桶的活度測量，尤其對有「熱點」的廢物桶 有很好的測量精度。
圖1為基於等效半徑修正的雙探測器分段Y掃描測量裝置示意圖。圖2為基於等效半徑修正的雙探測器分段Y掃描測量裝置俯視圖。圖3為旋轉臺示意圖。
具體實施例方式下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施 例。如圖1和2所示，本實施例包括旋轉臺1、探測器平臺組件2、透射源平臺組件3、 平臺升降驅動組件4 (由23，對，25，沈，27，28組成)、具有準直器5的第一高純鍺探測器6、 具有準直器7的第二高純鍺探測器8、透射源及其屏蔽部件9和分析模塊10，其中被測廢 物桶置於旋轉臺1上，探測器平臺組件2和透射源平臺組件3分別置於旋轉臺1的兩側，具 有準直器5的第一高純鍺探測器6以及具有準直器7的第二高純鍺探測器8置於探測器平 臺組件2上(探測器6，8同型號和尺寸)，透射源及其屏蔽部件9置於透射源平臺組件3上， 高純鍺探測器6，8內置的晶體與Y射線相互作用產生電信號並與分析模塊10相連並輸出 Y射線能譜以獲得全能峰計數率，通過控制系統及平臺升降驅動組件4實現探測器6，8與 透射源及其屏蔽部件9的同步升降以及水平高度的準確定位。如圖3所示，所述的旋轉臺1包括第一減速電機11、旋轉臺主軸12、旋轉臺軸套 13、旋轉臺平板14、旋轉臺聯軸器15和旋轉臺支腳16，其中第一減速電機11通過旋轉臺 聯軸器15與旋轉臺主軸12聯接，旋轉臺主軸12與旋轉臺平板14連接，通過第一減速電機 11帶動旋轉臺平板14轉動並驅動被測廢物桶轉動。所述的探測器平臺組件包括探測器平臺17、第一導軌18和第一支架19，其中 第一導軌18安裝於第一支架19上為探測器平臺17的升降提供導向作用。所述的透射源平臺組件包括透射源平臺20、第二導軌21和第二支架22，其中 第二導軌21安裝於第二支架22上為透射源平臺20的升降提供導向作用。所述的平臺升降驅動組件包括第二電機23、第一轉向器M、第二轉向器25、第三 轉向器沈、第一渦輪絲杆升降機27和第二渦輪絲杆升降機觀，其中第二電機23與第一轉 向器M相連，第二轉向器25和第三轉向器沈同時與第一轉向器M相連，第二轉向器25 與第一渦輪絲杆升降機27相連，第三轉向器沈與第二渦輪絲杆升降機觀相連，通過第二 電機23和第一、二、三轉向器M，25，沈帶動第一、二渦輪絲杆升降機27，28運動，從而使位 於第一渦輪絲杆升降機27上的探測器平臺17和位於第二渦輪絲杆升降機觀上的透射源 平臺20同步升降。
本裝置通過以下步驟實現基於等效半徑修正的雙探測器分段Y掃描第一步、調整第一高純鍺探測器6及其準直器5、透射源及其屏蔽部件9在升降平 臺17，20上的具體位置，使第一探測器6軸線對準廢物桶中心並通過透射源準直孔；第二步、調整第二高純鍺探測器8及其準直器7的位置，使第二探測器8軸線偏離 廢物桶中心且與第一探測器6軸線平行，兩個探測器之間的距離應能保證對於單層填充介 質均勻的測量樣品在勻速旋轉時，第二探測器8在當層得到的淨計數率與第一探測器6在 當層得到的淨計數率的比值與放射源所在的半徑位置存在一一對應關係；例如對於內徑 為56cm,壁厚0. 12cm,高90cm的標準200L鋼桶，在探測器6,8前端準直器5，7長15cm,準 直孔為邊長6cm的正方孔，第一探測器6距離桶中心53cm時，第一探測器6與第二探測器 8的距離應在17. 5至21cm之間為最佳；第三步、開啟旋轉臺1，使廢物桶以一定轉速勻速旋轉，將探測器平臺17和透射源 平臺20移動到廢物桶最底層，在垂直方向同時移動探測器平臺17與透射源平臺20，從下而 上對廢物桶每一層進行掃描，採集能譜；第四步、數據處理(1)建立每層放射性核素活度與第一探測器6、第二探測器8的淨計數率的方程 組，採用填充介質與放射性核素都在每層內均勻分布的假設，計算初始效率矩陣，計算初始 活度。設將廢物桶分成η層，第一探測器6和第二探測器8得到的淨計數率分別用向量 Ja和Jb來表示Ja= (JA1，JA2，JA3，...，JAn)TJb = (JM，JB2，JB3，· · ·，JBn)T廢物桶每一層的放射性核素活度用向量M來表示M = (M1, M2, M3, ... , Mn)τM與Ja的關係可用一個η X η的矩陣GA來表示Ja = α · GA · M(1)其中，α為所考慮的射線能量的分支比，矩陣GA為第一探測器6的效率矩陣，矩 陣GA中的各個元素GAij為第一探測器6在第i層時對第j層放射源的探測效率。同樣，M與Jb的關係可用一個nXn矩陣GB來表示Jb = α · GB · M(2)其中，矩陣GB為第二探測器8的效率矩陣，矩陣GB中的各個元素GBij為第二探測 器8在第i層時對第j層放射源的探測效率，下面用k表示循環次數，k從1開始。首先由第一探測器6測得的透射率與物質密度的關係，得到廢物桶各層物質的密 度。已知密度，已知探測器6，8幾何尺寸，採用填充介質與放射源都在每層內均勻分布的假 設，可以計算得到初始效率矩陣GA1和GB1。解方程組⑴和O)，得到初始活度Ma1和Mb1。(2)計算每一層放射性核素的等效半徑，根據等效半徑更新效率矩陣，重新計算活 度。重複此步驟直至活度結果收斂。
M k GBk可以認為是探測器6，8在第i層時，第二探測器8測得的來自於第i層
6放射源的淨計數率與第一探測器6測得的來自於第i層放射源的淨計數率的比值。 M k GBk①計算ll/F^V，根據第二步中得到的淨計數率比值與放射源半徑的對應關
②根據等效半徑r/ (k+1) (i = 1，2，... η)，計算新的效率矩陣GAk+1和GBk+1③利用新的效率矩陣GAk+1和GBk+1解方程組⑴和(2)，得到活度MAk+1和MBk+1。④重複①至③直至MAk+1_MAk< ε，ε為設定的迭代精度。
權利要求
1.一種基於等效半徑修正的雙探測器分段Y掃描測量裝置，其特徵在於，包括旋轉 臺、探測器平臺組件、透射源平臺組件、平臺升降驅動組件、兩個相同的具有準直器的高純 鍺探測器、透射源及其屏蔽部件和分析模塊，其中被測廢物桶置於旋轉臺上，兩個相同的 具有準直器的高純鍺探測器置於探測器平臺上，透射源及其屏蔽部件置於透射源平臺上， 探測器平臺和透射源平臺分別置於旋轉臺的兩側，高純鍺探測器內置的晶體與Y射線相 互作用產生電信號並與分析模塊相連並輸出Y射線能譜以獲得全能峰計數率，通過控制 系統與平臺升降驅動組件實現探測器與透射源的同步升降以及水平高度的準確定位。
2.根據權利要求1所述的基於等效半徑修正的雙探測器分段Y掃描測量裝置，其特徵 是，所述的旋轉臺包括第一減速電機、旋轉臺主軸、旋轉臺軸套、旋轉臺平板、旋轉臺聯軸 器和旋轉臺支腳，其中第一減速電機通過旋轉臺聯軸器與旋轉臺主軸聯接，旋轉臺主軸與 旋轉臺平板連接，通過第一減速電機帶動旋轉臺平板轉動並驅動被測物體轉動。
3.根據權利要求1所述的基於等效半徑修正的雙探測器分段Y掃描測量裝置，其特徵 是，所述的探測器平臺組件包括探測器平臺、第一導軌和第一支架，其中第一導軌安裝 於第一支架上並為探測器平臺的升降提供導向作用。
4.根據權利要求1所述的基於等效半徑修正的雙探測器分段Y掃描測量裝置，其特徵 是，所述的透射源平臺組件包括透射源平臺、第二導軌和第二支架，其中第二導軌安裝 於第二支架上並為透射源平臺的升降提供導向作用。
5.根據權利要求1所述的基於等效半徑修正的雙探測器分段Y掃描測量裝置，其特徵 是，所述的平臺升降驅動組件包括第二電機、第一轉向器、第二轉向器、第三轉向器、第一 渦輪絲杆升降機和第二渦輪絲杆升降機，其中第二電機與第一轉向器相連，第二轉向器和 第三轉向器同時與第一轉向器相連，第二轉向器與第一渦輪絲杆升降機相連，第三轉向器 與第二渦輪絲杆升降機相連，通過第二電機和第一、二、三轉向器帶動第一、二渦輪絲杆升 降機運動，從而使位於第一渦輪絲杆升降機上的探測器平臺和位於第二渦輪絲杆升降機上 的透射源平臺同步升降。
6. 一種根據權利要求1所述測量裝置的掃描方法，其特徵在於，包括以下步驟第一步、調整第一高純鍺探測器及其準直器、透射源及其屏蔽部件在升降平臺上的具體位置，使第一探測器軸線對準廢物桶中心並通過透射源準直孔；第二步、調整第二高純鍺探測器及其準直器的位置，使第二探測器軸線偏離廢物桶中 心且與第一探測器軸線平行，兩個探測器之間的距離應能保證對於單層填充介質均勻的測 量樣品在勻速旋轉時，第二探測器在當層得到的淨計數率與第一探測器在當層得到的淨計 數率的比值與放射源所在的半徑位置存在一一對應關係；第三步、開啟旋轉臺，使廢物桶以一定轉速勻速旋轉，將探測器平臺和透射源平臺移動 到廢物桶最底層，在垂直方向同時移動透射源與探測器平臺，從下而上對廢物桶每一層進 行掃描，採集能譜；第四步、數據處理首先建立每層放射性核素活度與兩個探測器淨計數率的方程組，採 用填充介質與放射性核素都在每層內均勻分布的假設，計算初始效率矩陣，計算初始活度； 然後計算每一層放射性核素的等效半徑，根據等效半徑更新效率矩陣，重新計算活度，重複 此步驟直至活度結果收斂，實現雙探測器分段Y掃描。
全文摘要
一種核輻射測量技術領域的基於等效半徑修正的雙探測器分段γ掃描測量裝置，該測量裝置包括旋轉臺、探測器平臺組件、透射源平臺組件、平臺升降驅動組件、兩個相同的具有準直器的高純鍺探測器、透射源及其屏蔽部件和分析模塊。本發明通過廢物桶的勻速旋轉減少桶內物質不均勻度的影響，將兩個相同的高純鍺探測器置於不同水平位置對勻速旋轉的廢物桶進行分層測量，通過分析得到每層放射性核素的徑向等效半徑，根據該半徑的探測效率準確計算該層的放射性核素活度。由於排除了放射性核素均勻分布的假設，更符合實際廢物桶的特點，因此大大提高了傳統分段γ掃描技術的測量準確度。
文檔編號G01T1/167GK102135625SQ201010597029
公開日2011年7月27日 申請日期2010年12月21日 優先權日2010年12月21日
發明者劉誠, 王德忠, 白雲飛, 錢楠, 顧衛國 申請人:上海交通大學